쏘일네일링 공법은 1972년 프랑스에서 처음 시공된 이래로, 최근 들어 그 적용성이 더욱 확대되고 있으나 아직까지 세계적으로 공인된 설계방법은 없으며 서로 다른 가정을 가지므로 설계접근 또한 완전히 다르다. 또한 기존의 제안된 네일의 최적 경사각은 제안자에 따라 서로 다르므로 네일 경사각에 대한 영향은 규명되어야 할 설계변수이다. 따라서, 본 연구에서는 쏘일네일링 벽체의 수평변위에 대한 네일의 경사각에 대한 영향을 분석하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 SOILSTRUCT가 사용되었다. 프랑스의 쏘일네일 연구 프로젝트인 CLOUTERRE의 CEBTP No. 1에서 측정된 수평변위와 제시된 지반 물성치를 적용하여 FEM해석을 위한 기본 모델을 선정하였다. 그리고, 선정된 기본 모델을 사용하여 네일의 설치 각도에 따른 벽체 수평변위의 영향을 분석하기 위해서 네일의 경사각을 0$^{\circ}$에서 30$^{\circ}$까지 5$^{\circ}$간격으로 변화시키면서 최적의 네일경사각을 얻고자 하였다. 그 결과, 벽체의 변위가 최소로 발생하는 경사각은 20$^{\circ}$였으며, 네일의 경사각이 증가할수록 네일에서 유발되는 인장력은 증가하였다. 그러나 수평변위에 대한 네일 경사각의 영향은 적으므로 현장여건에 따라 시공성이 우선되어야 하는 것으로 분석 되었다. 또한 최하단 네일을 제외하고, 네일의 심도가 깊어질수록 네일에서 유발되는 인장력이 증가하므로 설계시 네일의 재료파괴를 방지하기 위해 네일의 강도와 변위 관계를 고려하여 적절한 네일직경을 적용하여야 한다.
쏘일네일링 공법은 1972년 프랑스에서 처음 시공된 이래로, 최근 들어 그 적용성이 더욱 확대되고 있으나 아직까지 세계적으로 공인된 설계방법은 없으며 서로 다른 가정을 가지므로 설계접근 또한 완전히 다르다. 또한 기존의 제안된 네일의 최적 경사각은 제안자에 따라 서로 다르므로 네일 경사각에 대한 영향은 규명되어야 할 설계변수이다. 따라서, 본 연구에서는 쏘일네일링 벽체의 수평변위에 대한 네일의 경사각에 대한 영향을 분석하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 SOILSTRUCT가 사용되었다. 프랑스의 쏘일네일 연구 프로젝트인 CLOUTERRE의 CEBTP No. 1에서 측정된 수평변위와 제시된 지반 물성치를 적용하여 FEM해석을 위한 기본 모델을 선정하였다. 그리고, 선정된 기본 모델을 사용하여 네일의 설치 각도에 따른 벽체 수평변위의 영향을 분석하기 위해서 네일의 경사각을 0$^{\circ}$에서 30$^{\circ}$까지 5$^{\circ}$간격으로 변화시키면서 최적의 네일경사각을 얻고자 하였다. 그 결과, 벽체의 변위가 최소로 발생하는 경사각은 20$^{\circ}$였으며, 네일의 경사각이 증가할수록 네일에서 유발되는 인장력은 증가하였다. 그러나 수평변위에 대한 네일 경사각의 영향은 적으므로 현장여건에 따라 시공성이 우선되어야 하는 것으로 분석 되었다. 또한 최하단 네일을 제외하고, 네일의 심도가 깊어질수록 네일에서 유발되는 인장력이 증가하므로 설계시 네일의 재료파괴를 방지하기 위해 네일의 강도와 변위 관계를 고려하여 적절한 네일직경을 적용하여야 한다.
Since the first construction of soil nailing in France in 1972, the application of soil nailing has increased. However, there is currently no design method which is universally accepted or agreed upon far soil nailed wall, because each of the design methods has different assumptions and, therefore, ...
Since the first construction of soil nailing in France in 1972, the application of soil nailing has increased. However, there is currently no design method which is universally accepted or agreed upon far soil nailed wall, because each of the design methods has different assumptions and, therefore, different approaches, moreover, since the suggested optimal inclination angles of nails are different by researchers. Therefore, the effect of nail inclination with soil nailing is analyzed by FEM. In this study, Finite element program SOILSTRUCT was applied for the effect analysis of nail inclination in soil nailed wall. For this finite element analysis, CEBTP No. 1 project data were used. The analyzed nail inclination ranged from 0$^{\circ}$ to 30$^{\circ}$ with 5$^{\circ}$ intervals. The result of finite element analysis showed that the most optimal inclination was 20$^{\circ}$ Also, the tension farce in the nails increased as the nail inclination increased. However, the effect of nail inclination on the wall deformation was very little. Therefore, constructability seems to be more important than nail inclination. Also, the tension force in the nails increases as the nail depth below the top of the wall increases, except f3r the lowest nail. Therefore, appropriate nail diameter should be used to prevent breakage of nails with considering nail strength-deformation interaction.
Since the first construction of soil nailing in France in 1972, the application of soil nailing has increased. However, there is currently no design method which is universally accepted or agreed upon far soil nailed wall, because each of the design methods has different assumptions and, therefore, different approaches, moreover, since the suggested optimal inclination angles of nails are different by researchers. Therefore, the effect of nail inclination with soil nailing is analyzed by FEM. In this study, Finite element program SOILSTRUCT was applied for the effect analysis of nail inclination in soil nailed wall. For this finite element analysis, CEBTP No. 1 project data were used. The analyzed nail inclination ranged from 0$^{\circ}$ to 30$^{\circ}$ with 5$^{\circ}$ intervals. The result of finite element analysis showed that the most optimal inclination was 20$^{\circ}$ Also, the tension farce in the nails increased as the nail inclination increased. However, the effect of nail inclination on the wall deformation was very little. Therefore, constructability seems to be more important than nail inclination. Also, the tension force in the nails increases as the nail depth below the top of the wall increases, except f3r the lowest nail. Therefore, appropriate nail diameter should be used to prevent breakage of nails with considering nail strength-deformation interaction.
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문제 정의
0。에서 30。까지 5。간격으로 변화시키면서 최적의 네 일경 사각을 얻고자 하였다.
가설 설정
갖는다. 합성 grout-aluminum 보강재인 네일은 탄성적으로 거동하며 aluminum과 grout는 완전히 부착된 것으로 가정하였다. Aluminum의 탄성계수는 7.
제안 방법
이 beam element 는 휨저항과 축방향 응력에 대한 저항을 고려한다(Filz 등, 1990). Interface element는 soil element와 bar element 의 상대변위를 허용하기 위해 사용되며 각각의 interface element는 네 개의 절점으로 구성되며 두께와 폭은 존재하지 않는 것으로 모델링 하였다. 초기전단강성은 Mitchell and Villet(1987)의 보고서에 근거하여 25.
1mm 가관찰되었다. 그리고 포화의 영향을 조사하기 위하여 벽체의 상단부에 살수를 호였다. 그 결과 벽체의 상부에서 269.
프로그램해석에 적용할 보강재 직경은 aluminum 파이프의 면적을 환산하여 계산하였다(SNAIL, 1994). 또한, 포화되기 전과 포화된 후의 두 가지 경우에 대한 해석을 수행하였으며 통일분류법에 의한 지반분류는 입도 분포가 좋은 모래(SW)로 분류되며 지반 물성치와 보강재 정수는 표 1과 표 2에 나타내었다.
본 연구에서 유한요소해석 프로그램인 SOILSTRUCT (1990)를 적용하여 쏘일네일링 벽체의 수평변위에 대한네일 경사각에 대한 영향을 분석한 결과는 다음과 같다. (1) 일반적으로 네일의 설치 각도는 15。정도이지만 배면 지반이 수평이고 수직벽체인 경우, 네일의 경사각을 0°에서부터 30。까지 5。간격으로 변화시키면서 벽체의 수평변위에 대한 네일 경사각의 영향을 분석한 결과, 전면벽체의 변위가 최소로 발생하는 최적의 네일 경사각은 20。인 것으로 분석되었다.
위하여 측정된 변위와 제시된 지반 물성치를 적용하여 모델링 하였다. 선정된 기본 모델을 사용하여 네 일경 사각에 대한 영향을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 SOILSTRUCT(1990)를 적용하여 네일의 경사각을 0。에서 30。까지 5。간격으로 변화시키면서 최적의 네 일경 사각을 얻고자 하였다.
성되어 있다. 이 프로그램은 soil element의 응력, 변형율및 변위를, structural element의 내부응력과 변위를 계산하며 soil element, bar element, beam element, 그리고 interface element를 사용한다(Kim, 1998).
1 실험 벽체는벽체의 상부로부터 흙을 부분적으로 포화시킨 후에 네일의 파단에 의한 파괴를 유도시켰다. 이에 반하여 CEBIT No. 2 실험 벽체는 굴착단의 높이를 증가시켜파괴시켰으며, CEBTP No. 3 실험 벽체는 점차적으로네일의 길이를 짧게 하여 파괴를 유도하였다(CEBTP, 1986; CEBTP, 1989a; CEBTP, 1989b).
구성된다. 해석에 사용된 CEBTP No. 1 실험 벽체의 유한요소메쉬는 그림 3과 같으며 현장조건을 재현하기 위해 2 열 굴착 후 네일 설치의 순서로 7단계의 굴착과 시공을적용하였다. 여기서 유한요소 메쉬는 SOILSTRUCT 프로그램이 global stiffness vector가 최대 30, 000개로 제한되 어 있는데 global stiffness vector에 대한 sensitivity study결과 global stiffiiess vector가 25,000개를 넘을 경우 결과에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작게나타나서, 그림 3에서 보는 바와 같이 나타내었다.
대상 데이터
35개의 bar 요소, 150개의 soil element로 구성된다. 해석에 사용된 CEBTP No.
5。 간격으로 7개의 모델을 선정하였다. 각 모델에서 네일의 경사칵을 제외한 나머지 입력 데이터는 모두 동일하게 적용하였으며 해석 결과는 그림 5와 깥다 또한 네일에서 유발되는 인장력에 대한 네일 경사각 및 심도의 영향을 분석하였으며, 그 결과는 그림 6~7과 같다.
17E7kN/m2를 사용하였다(Sampaco, 1996). 벽체 두께는 76.2mm이며, 단위 폭에 대한 관성모멘트와 단면적을 고려하였다.
본 해석에서는 CEBTP No. 2와 CEBTP No. 3 실험 벽체는 보강재 정수에 대한 정보가 불충분하기 때문에 CEBTP No. 1 실험 벽체를 사용하였다. CEBTP No.
숏크리트 벽체를 모델링 하기 위해 3개의 서로 다른 길이로 이루어진 beam element가 사용되었다. 콘크리트의 탄성계수는 이전의 연구에서 적용된 바 있는 2.
선정하였다. 좀 더 실제와 부합하는 모델링을 하기 위해 지반을 세 개의 지층으로 구분하였으며 각 층까지의 중간깊이는 0.75m, 2.74m, 5.43m이다. Duncan(1980)의 보고서에 제시된 표에 근거하여 해석시 요구되는 입력 물성치를 산정하였으며 그 결과는표 3과 같다.
콘크리트의 탄성계수는 이전의 연구에서 적용된 바 있는 2.17E7kN/m2를 사용하였다(Sampaco, 1996). 벽체 두께는 76.
데이터처리
SOILSTRUCT(1990)에 의한 해석 모델을 검증하기 위해 해석결과와 실측된 벽체의 수평변위를 비교하였으며 그 결과는 그림 4와 같다. 그림 4와 같이 FEM 해석에 의한 결과가 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
7개의 모델을 선정하였다. 각 모델에서 네일의 경사칵을 제외한 나머지 입력 데이터는 모두 동일하게 적용하였으며 해석 결과는 그림 5와 깥다 또한 네일에서 유발되는 인장력에 대한 네일 경사각 및 심도의 영향을 분석하였으며, 그 결과는 그림 6~7과 같다. 그림 5와 같이 네일의 경사각이 20。인 경우 전면 벽체의 변위가 최소로 발생하였다.
l 벽체에는 aluminum 파이프가 보강재로 사용되었다. 프로그램해석에 적용할 보강재 직경은 aluminum 파이프의 면적을 환산하여 계산하였다(SNAIL, 1994). 또한, 포화되기 전과 포화된 후의 두 가지 경우에 대한 해석을 수행하였으며 통일분류법에 의한 지반분류는 입도 분포가 좋은 모래(SW)로 분류되며 지반 물성치와 보강재 정수는 표 1과 표 2에 나타내었다.
이론/모형
과개의 절점으로 구성되지만 두께는존재하지 않는다. CEBTP No. 1(1986) 실험 벽체에서세 번째 네일의 인발력(BOkN/n?)에 근거하여 interface element의 마찰각과 세 개의 지층에 대한 횡방향 마찰력을 산정하였으며, 초기 전단강성은 Mitchell and Villet (1987)의 보고서에 근거하여 지반과 보강재의 2.54mm (O.lin)의 상대변위를 적용하였다. Interface element의입력 물성치는 표 5와 같다.
SOILSTRUCT(1990)는 지반의 모델링을 위해 적용된 hyperbolic soil parameter는 Duncan(1980)의 보고서에 제시된 표에 근거하여 해석지반의 hyperbolic parameter로 선정하였다. 좀 더 실제와 부합하는 모델링을 하기 위해 지반을 세 개의 지층으로 구분하였으며 각 층까지의 중간깊이는 0.
네일을 표현하기 위해 사용되는 bar element는 두 개의 절점으로 이루어지며 전면벽체는 Euler-Bemoulli beam element를 사용하여 모델링 된다. 이 beam element 는 휨저항과 축방향 응력에 대한 저항을 고려한다(Filz 등, 1990).
Aluminum의 탄성계수는 7.38E7kN/n?를 적용하였다(Angertnayer, 1987). Bar elements] 면적은 콘크리트 면적으로 환산하여 사용하였으며 실제 네일의 강성(AE/L)은 평면변형율조건으로 해석하기 위해네일의 수평간격으로 정규화하여 산정한 결과 표 4와 같다.
본 연구에서는 1990년 PC version인 유한요소해석 프로그램 SOILSTRUCT(1990)가 사용되었다. SOILSTRUCT 는 굴착으로 인한 응력과 변형에 대한 고려를 포함한 지반 공학 문제의 정적 해석을 위한 general, plane strain, soil-structure interaction이 가능한 프로그램이다.
본 연구에서는 해석단면으로는 CEBTP No. 1(1986) 의 실험 벽체가 사용되었다. CEBTP No.
지반의 비선형 응력-변형율 특성을 표현하기 위해 SOILSTRUCT(1990)는 Duncan(1980)ofl 의해 제안된 hyperbolic relationship을 사용한다. Soil element는 세 개 또는 네 개의 절점으로 구성된 2차원 요소로 표현된다.
Interface element는 soil element와 bar element 의 상대변위를 허용하기 위해 사용되며 각각의 interface element는 네 개의 절점으로 구성되며 두께와 폭은 존재하지 않는 것으로 모델링 하였다. 초기전단강성은 Mitchell and Villet(1987)의 보고서에 근거하여 25.4mm (O.lin)의 지반과 네일의 상대변위를 적용하여 산정하였다.
성능/효과
(3) 유한요소해석을 통하여 네일에서 유발되는 인장력과 네일 경사각의 상관관계를 분석한 결과, 네일의경사각이 증가할수록 네일에서 유발되는 인장력도증가하는 것으로 나타났다. 따라서 네일의 경사각이 증가하는 경우, 네일의 직경을 증가시키거나 네일의 강도를 증가시켜야 한다.
(4) 유한요소해석을 통하여 네일에서 유발되는 인장력에 대한 네일 심도의 영향을 분석한 결과, 최하단네일을 제외하고, 네일 경사각이 동일한 경우에는네일의 심도가 깊어질수록 네일에서 유발되는 인장력도 증가하였다. 따라서 최하단 네일을 제외하고, 네일의 설치 심도에 따라 네일의 직경을 증가시킴으로써 구조적 안정성을 확보하여야 할 것으로 분석 된다.
그림 7과 같이 최하단에 있는 네 일을 제외하고 동일한 네일 경사각에서 네일의 심도가 깊어질수록 네일에서 유발되는 인장력도 증가하였다. 즉, 본 해석 단면의경우 최하단 네일인 7단 네일을 제외하고 6단 네일에서인장력이 최대로 발생하였으며 네일의 심도가 앝아짐에 따라서 네일에서 유발되는 인장력이 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 최하단 네일을 제외하고, 구조적안정성을 확보하기 위해서는 네일의 설치 심도가 깊어지면 네일의 직경도 증가되어야 한다.
후속연구
(5) 향후 연구로써 배면 지반이 수평인 경우에 대한 벽체 경사각, 외부 하중 혹은 surcharge 및 지표 경사각 등 다양한 조건에 대한 해석이 수행되어야 할 것이다.
증가하였다. 따라서 최하단 네일을 제외하고, 네일의 설치 심도에 따라 네일의 직경을 증가시킴으로써 구조적 안정성을 확보하여야 할 것으로 분석 된다.
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